基于鐵電晶體管科研，共探集成電路的創(chuàng)新之路

來源：泰克科技

后摩爾時代專題，泰克張欣與北大集成電路學(xué)院唐克超老師共話鐵電晶體管、存儲計算科研進(jìn)展

人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展對芯片存儲性能和算力提出了更高的需求。傳統(tǒng)的計算架構(gòu)逐漸顯露出局限性，這促使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開始探索新的計算架構(gòu)和信息器件。在后摩爾時代，鐵電晶體管（FeFET）作為一種新型的信息器件，因其在存儲和計算領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。

泰克科技與北京大學(xué)集成電路學(xué)院唐克超課題組聯(lián)合舉辦了一場學(xué)術(shù)交流訪談會，旨在探討高耐久性氧化鉿基鐵電晶體管（FeFET）器件及其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在這次訪談交流中，講座主講人北京大學(xué)集成電路學(xué)院的唐克超老師分享了他們團(tuán)隊在鐵電材料和器件研究方面的最新成果，并探討了當(dāng)前研究的難點痛點以及未來可能的解決之道。

唐克超老師團(tuán)隊專注于鐵電材料及相關(guān)存儲器件的研究，特別關(guān)注氧化鉿基鐵電材料。他指出氧化鉿基鐵電存儲器由于其高密度集成潛力而受到重視，但耐久性是器件應(yīng)用面臨的一個核心的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊的主要目標(biāo)是解決耐久性問題并協(xié)同優(yōu)化器件性能，研究涉及鐵電耐久性原理、耐久性和存儲密度優(yōu)化以及陣列制備和應(yīng)用等方面。

鐵電存儲器的特性和應(yīng)用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景？

唐老師：目前有三種主流的鐵電器件技術(shù)：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有獨特的特性和應(yīng)用前景。在存儲技術(shù)領(lǐng)域，目前FTJ的成熟度相對較低，因此研究和開發(fā)主要集中在FeRAM和FeFET上，這兩種技術(shù)更接近實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲器，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的DRAM類似?；阝}鈦礦鐵電的FeRAM已有商業(yè)化產(chǎn)品，而氧化鉿基FeRAM也有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。它旨在提供非易失性的高速存儲方案，將快速數(shù)據(jù)訪問和低靜態(tài)功耗特性相結(jié)合，契合集成電路對速度和功耗的發(fā)展需求。FeFET，即基于晶體管型的鐵電存儲器，是我們團(tuán)隊的研究重點。這種存儲器以其高集成密度、高速讀寫和低功耗而受到關(guān)注。FeFET的優(yōu)勢在于其三端器件讀寫分離的特點，這使得它可以在數(shù)據(jù)讀取后不需要進(jìn)行重寫，提高器件操作效率，并非常適合存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算和硬件安全等新型應(yīng)用。FTJ即基于隧穿結(jié)的鐵電存儲器，目前偏向于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰(zhàn)是其較小的讀電流，這限制了器件的讀取速度。盡管如此，F(xiàn)TJ在神經(jīng)形態(tài)計算等低功耗應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲研究中遇到的挑戰(zhàn)

張欣：在FeFET的研究中，您的團(tuán)隊遇到了哪些挑戰(zhàn)？

唐老師：目前來說，F(xiàn)eFET面臨的最大挑戰(zhàn)是耐久性問題，即在反復(fù)編程和擦寫后性能衰減。我們發(fā)現(xiàn)，界面電場過高是導(dǎo)致這一問題的主要原因，而這需要系統(tǒng)性的優(yōu)化。盡管FeFET器件在讀寫速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢，但其耐久性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。FeFET耐久性問題的核心原因就是因為它在進(jìn)行寫操作的時候，界面層的電場非常的高，甚至可以超過氧化硅的擊穿電場。所以這就會導(dǎo)致器件在循環(huán)過程中，電場驅(qū)動界面電荷的俘獲與積累，導(dǎo)致新的電荷陷阱產(chǎn)生，同時在一定程度之后還會引起界面層的擊穿，最終導(dǎo)致器件的失效。團(tuán)隊在這一領(lǐng)域取得了突破性成果，通過新型鐵電材料的引入和鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了FeFET器件的耐久性。

張欣：對于鐵電器件，它就是通過局域電場讓鐵電發(fā)生翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)0和1的表征。對于這個問題，豈不是鐵電材料與生俱來的嗎？

唐老師：鐵電材料的極化狀態(tài)通常需要電場的作用才能翻轉(zhuǎn)，而在鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）中，這一現(xiàn)象尤為顯著。FeFET的大部分電場實際上并不是直接作用于鐵電層，而是集中在鐵電層與溝道之間的1至2納米的界面上。通過電荷連續(xù)性方程的計算，我們可以發(fā)現(xiàn)，該界面處的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的界面電場。因此在FeFET中，界面處的可靠性問題會被進(jìn)一步放大。要解決這一問題，需要從多個角度進(jìn)行全面的考量，包括鐵電材料本身對電場的響應(yīng)，界面結(jié)構(gòu)和缺陷對電場的影響，以及界面層結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性等。

測量方法及測量表征建議

張欣：如果要做FeFET測試和表征的話，需要有哪些量測方法？

唐老師：FeFET器件很多不同的角度的測試，包括像轉(zhuǎn)移曲線Id-Vg、讀寫速度、耐久性和保持性的測試，以及還需要在陣列的讀寫功能和串?dāng)_問題等方面的一些測試。

轉(zhuǎn)移曲線（Id-Vg）測試是測量器件在不同柵極電壓下的電流-電壓特性，以評估其開關(guān)特性、閾值電壓和存儲能力。讀寫速度測試，用來評估FeFET在實際工作條件下的響應(yīng)速度。耐久性測試通過反復(fù)進(jìn)行編程和擦寫操作，評估器件的長期穩(wěn)定性和可靠性。保持性測試測量器件在無偏壓條件下保持存儲狀態(tài)的能力。陣列讀寫和串?dāng)_測試，用于評估在集成的陣列中，器件之間的相互影響和串?dāng)_問題。

張欣：在FeFET的電學(xué)表征和測量方面，您有哪些經(jīng)驗和建議？

唐老師：我們需要精確測量FeFET在快速操作下的電流和電荷，這要求測試設(shè)備具備高速度和高精度。我們通常使用AWG、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和高帶寬示波器來進(jìn)行這些測試。

主要涉及四類產(chǎn)品。第一類是任意波形發(fā)生器（AWG），用于產(chǎn)生各種測試信號，特別是高速脈沖，用于測量極化翻轉(zhuǎn)速度等動力學(xué)特性；第二類是半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，如4200A-SCS，用于測量FeFET的基本電學(xué)特性，例如Ig-Vd，并搭載源測量單元（SMU）或脈沖測量單元（PMU）進(jìn)行讀和寫操作，多用于可靠性和保持性的測試；另外，測量非常高速的信號還要用到高帶寬示波器，尤其是當(dāng)需要表征鐵電材料的動態(tài)行為，如亞納秒級別的快速響應(yīng)時；除了這三項關(guān)鍵設(shè)備，在進(jìn)行陣列測試中還需要使用到矩陣開關(guān)，以便能夠快速選擇并測試陣列中的單個器件，而不需要手動逐一連接。

總結(jié)來說，F(xiàn)eFET的測試和表征需要一系列精密的設(shè)備和細(xì)致的測試方法，以確保能夠全面評估其電學(xué)性能和可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展和陣列規(guī)模的增大，測試過程的自動化將變得越來越重要。

未來商業(yè)化仍充滿挑戰(zhàn)

張欣：那像鐵電FeFET目前還是在實驗室處于科研的階段。未來商業(yè)化量產(chǎn)可能會在什么樣的時間節(jié)點？

唐老師：預(yù)測FeFET的商業(yè)化時間表存在難度，因為前沿技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性較高。比較近期最有可能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的應(yīng)該是嵌入式非易失性存儲器（eNVM），盡管現(xiàn)階段市場相對較小，競爭也比較激烈，但長久來看仍可為高性能存儲和新型計算架構(gòu)提供有力的發(fā)展平臺。這類應(yīng)用比較有希望在5年內(nèi)實現(xiàn)。除此之外，在相對更加主流的存儲器市場，F(xiàn)eFET還比較有希望應(yīng)用于NAND型高密度存儲器。鐵電材料的引入可以在三維NAND Flash基礎(chǔ)上，實現(xiàn)存儲密度和讀寫速度的進(jìn)一步提升。當(dāng)然現(xiàn)階段NAND型的FeFET仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括縮小尺寸后的存儲窗口、耐久性、保持性、一致性等，以及陣列中的串?dāng)_問題。對于這一領(lǐng)域，可能需要5到10年的時間實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

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審核編輯 黃宇